一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法
【专利摘要】一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法：建立滚珠丝杠预紧力测量系统；建立进给系统动态性能的评价指标体系；根据评价指标设计试验变量，利用激光干涉仪进行动态性能测试试验，根据试验结果分析预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律；采用层次分析法分析进给系统动态性能，准确地得出进给系统动态性能最优时所对应的预紧力。本发明通过结合滚珠丝杠预紧力测量系统和进给系统动态性能评价指标体系，在重复进行进给系统动态性能试验的基础上，通过分析试验结果得到预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律，能够准确简便地得到最优化的预紧力，指导滚珠丝杠的前期装配与后期调整。
【专利说明】
一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种数控机床进给系统预紧力的试验优化方法。特别是涉及一种数控 机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法。
【背景技术】
[0002] 滚珠丝杠和滚动轴承是数控机床进给传动系统的基本机械传动装置，其预紧程度 直接影响数控机床的加工精度。滚珠丝杠预紧主要包括滚珠丝杠螺母副间的预紧和滚珠丝 杠轴端轴承的预紧。由于进给系统中滚珠丝杠螺母副预紧力无法直接测量，只能利用预紧 转矩间接测量，并且在出厂后，滚珠丝杠螺母副间的预紧力已经确定。
[0003] 由于滚珠丝杠安装时都采用预拉伸式安装，丝杠的预拉伸通过预紧滚珠丝杠轴端 轴承实现，具体的拉伸量根据经验公式确定，重用困难。因此，寻找一种较为精确简便的方 法确定数控机床滚珠丝杠轴端预紧力的最优值，指导滚珠丝杠在数控机床中的前期装配及 其后期调整，对数控机床加工精度的提高具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够更为精确地确定数控机床进给系统 滚珠丝杠预紧力最优值的数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法。
[0005] 本发明所采用的技术方案是:一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化 方法，包括如下步骤：
[0006] 1)建立滚珠丝杠预紧力测量系统；
[0007] 2)建立进给系统动态性能的评价指标体系；
[0008] 3)根据评价指标设计试验变量，利用激光干涉仪进行动态性能测试试验，根据试 验结果分析预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律；
[0009] 4)采用层次分析法分析进给系统动态性能，准确地得出进给系统动态性能最优时 所对应的预紧力。
[0010] 步骤1)所述的建立滚珠丝杠预紧力测量系统，包括：
[0011] (1)根据滚珠丝杠直径规格设计弹性轴套，安装时弹性轴套介于锁紧螺母与轴承 之间；
[0012] (2)选择电阻应变片，粘贴于弹性轴套外侧轴向方向上；
[0013] (3)搭建外部电桥电路，以电流的形式直接反映弹性轴套的变形；
[0014] (4)校准所建立的滚珠丝杠预紧力测量系统，使系统能以数值的形式直观地反映 滚珠丝杠轴端预紧力的大小。
[0015] 步骤(4)所述的校准所建立的滚珠丝杠预紧力测量系统，校准方法采用的是利用 力传感器校准，将力传感器和贴有应变片的弹性轴套串联，施加不同的压力，记录弹性轴套 在不同压力作用下的应变值;校准完成后的滚珠丝杠预紧力测量系统，最终能以数值的形 式反映滚珠丝杠轴端预紧力的大小。
[0016] 步骤2)所述的建立进给系统动态性能的评价指标体系，包括：
[0017] 进给系统的响应效率评价指标、定位精度评价指标、速度跟踪特性评价指标和延 迟特性评价指标。
[0018] 所述的进给系统的响应效率评价指标为：
[0020] 其中，tP为进给系统走完行程的理论时刻，tc为实际位移到达理想位移误差e范围 内的时刻，为测试结束时刻。
[0021] 所述的定位精度评价指标，是选取进给系统走完行程的理论时刻作为特征点，将 在理论时刻的实际位移与理想位移的比作为定位精度的评价指标。
[0022] 所述的速度跟踪特性评价指标，是选取进给系统速度稳定的理论时刻作为特征 点，将在理论时刻的实际速度与理想速度的比作为速度跟踪特性的评价指标。
[0023]所述的延迟特性评价指标，是将进给系统达到峰值的理论时刻与进给系统实际达 到峰值的时刻的比作为延迟特性的评价指标。
[0024] 步骤3)所述的根据评价指标设计试验变量，利用激光干涉仪进行动态性能测试试 验，根据试验结果分析预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律，是在设定的预紧力作 用下，根据四种进给系统动态性能评价指标对机床数控系统输入相应的测试程序，利用激 光干涉仪记录整个实验过程及试验结果。之后在设定范围内改变预紧力，反复进行动态性 能测试试验，得到一系列试验结果，借助MATLAB软件分析实验数据，最后得出预紧力变化对 进给系统动态性能的影响规律。
[0025] 本发明的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，由滚珠丝杠预 紧力测量系统结合进给系统动态性能评价指标体系，重复进行进给系统动态性能试验的基 础上，通过分析试验结果得到预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律，准确地得出进 给系统动态性能最优时所对应的预紧力。本发明通过结合滚珠丝杠预紧力测量系统和进给 系统动态性能评价指标体系，在重复进行进给系统动态性能试验的基础上，分析试验结果 得到预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律，能够准确简便地得到最优化的预紧力， 指导滚珠丝杠的前期装配与后期调整。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的滚珠丝杠预紧力测试系统的结构示意图；
[0027] 图2是本发明数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法的流程图。
[0028] 图中
[0029] 1:锁紧螺母 2:弹性轴套
[0030] 3:内轴套 4:轴承座
[0031] 5:电阻应变片 6:轴承
[0032] 7:滚珠丝杠
【具体实施方式】
[0033]下面结合实施例和附图对本发明的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试 验优化方法做出详细说明。
[0034]如图1所示，本发明的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，包 括如下步骤：
[0035] 1)建立如图1所示的滚珠丝杠预紧力测量系统；
[0036]步骤1)所述的建立滚珠丝杠预紧力测量系统，包括：
[0037] (1)根据滚珠丝杠直径规格设计合适的弹性轴套2，安装时弹性轴套2介于锁紧螺 母1与轴承6之间；
[0038] 弹性轴套2需根据滚珠丝杠7的直径及轴承座4的内径进行设计，弹性轴套2的内径 应大于滚珠丝杠7的直径，弹性轴套2的外径应小于轴承座4的内径。弹性轴套2的宽度设计 要根据实际情况，保证在l〇mm到20mm之间。弹性轴套的外径表面加工出沟槽，用于粘贴电阻 应变片5。
[0039] (2)选择电阻应变片5,粘贴于弹性轴套2外侧轴向方向上；
[0040] 丝绕式电阻应变片是用电阻丝盘绕电阻片，由于这种电阻片价格低廉，适于实验 室广泛使用，因此选用丝绕式电阻应变片。由于被测试点的应力状态是一维应力结构，应该 选用单轴应变片；由于弹性轴套材质均匀，应力梯度大，应选用栅长小的应变片；由于加载 预紧力的过程可能存在冲击载荷的作用，应选用响应频率高的应变片；综合考虑电阻应变 片的通过电流、自热引起温升、持续工作时间等等因素，应选用电阻值为350Q的应变片。
[0041] (3)搭建外部电桥电路，以电流的形式直接反映弹性轴套的变形；
[0042] 搭建的外部电桥选择应用最为广泛的惠斯通电桥，两臂之间选用数字电流表，将 弹性轴套的变形以数字的形式表达。
[0043] (4)校准所建立的滚珠丝杠预紧力测量系统，使其能以数值的形式直观地反映滚 珠丝杠轴端预紧力的大小。
[0044]所述的校准所建立的滚珠丝杠预紧力测量系统，校准方法采用的是利用力传感器 校准，将力传感器和贴有应变片的弹性轴套串联，施加不同的压力，记录弹性轴套在不同压 力作用下的应变值;校准完成后的滚珠丝杠预紧力测量系统，最终能以数值的形式反映滚 珠丝杠轴端预紧力的大小。
[0045] 2)建立进给系统动态性能的评价指标体系，包括：
[0046] 进给系统的响应效率评价指标、定位精度评价指标、速度跟踪特性评价指标和延 迟特性评价指标；
[0047] (1)所沭的讲给系统的响应效率评价指标为：
[0049]其中，tP为进给系统走完行程的理论时刻，tc为实际位移到达理想位移误差e范围 内的时刻，为测试结束时刻；
[0050] (2)所述的定位精度评价指标，是选取进给系统走完行程的理论时刻4作为特征 点，将在理论时刻的实际位移Xr与理想位移Xe的比作为定位精度的评价指标，即：
[0052] (3)所述的速度跟踪特性评价指标，是选取进给系统速度稳定的理论时刻作为特 征点，将在理论时刻的实际速度Vr与理想速度Ve的比作为速度跟踪特性的评价指标，即：
[0054] (4)所述的延迟特性评价指标，是将进给系统达到峰值的理论时刻^与进给系统 实际达到峰值的时刻^的比作为延迟特性的评价指标，即：
[0056] 3)根据评价指标设计试验变量，利用激光干涉仪进行动态性能测试试验，根据试 验结果分析预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律；
[0057] 所述的根据评价指标设计试验变量，利用激光干涉仪进行动态性能测试试验，根 据试验结果分析预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律，是在设定的预紧力作用下， 根据四种进给系统动态性能评价指标对机床数控系统输入相应的测试程序，包括:针对进 给系统的响应效率评价指标和定位精度评价指标，测试程序为位移斜坡信号;针对进给系 统的速度跟踪特性评价指标，测试程序为速度斜坡信号;针对进给系统的延迟特性评价指 标，测试程序为往复运动信号。并利用激光干涉仪记录整个实验过程及试验结果。为了得到 预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律，需要在设定范围内改变预紧力，反复进行动 态性能测试试验，得到一系列试验结果，借助MATLAB软件分析实验数据，最后得出预紧力变 化对进给系统动态性能的影响规律。
[0058] 4)采用层次分析法分析进给系统动态性能，准确地得出进给系统动态性能最优时 所对应的预紧力。
[0059]进给系统动态性能的优劣由进给系统的四项评价指标评判，即：进给系统的响应 效率评价指标、定位精度评价指标、速度跟踪特性评价指标和延迟特性评价指标。所述的层 次分析法，是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行 定性和定量分析的决策方法。所述的进给系统动态性能计算公式为：
[0061] 其中：A为进给系统单轴动态性能，A为各项评价指标权重，B为各项评价指标，j = (1 2 3 4)，表示四个指标。
[0062] 在本发明中利用层次分析法，将进给系统动态性能的各项评价指标分配合适的权 重，利用进给系统动态性能计算公式得到不同预紧力变量作用下的进给系统动态性能，进 给系统动态性能最优时所对应的预紧力大小，称为最优预紧力。
【主权项】
1. 一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其特征在于，包括如下步 骤： 1) 建立滚珠丝杠预紧力测量系统； 2) 建立进给系统动态性能的评价指标体系； 3) 根据评价指标设计试验变量，利用激光干涉仪进行动态性能测试试验，根据试验结 果分析预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律； 4) 采用层次分析法分析进给系统动态性能，准确地得出进给系统动态性能最优时所对 应的预紧力。2. 根据权利要求1所述的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其 特征在于，步骤1)所述的建立滚珠丝杠预紧力测量系统，包括： (1) 根据滚珠丝杠直径规格设计弹性轴套，安装时弹性轴套介于锁紧螺母与轴承之间； (2) 选择电阻应变片，粘贴于弹性轴套外侧轴向方向上； (3) 搭建外部电桥电路，以电流的形式直接反映弹性轴套的变形； (4) 校准所建立的滚珠丝杠预紧力测量系统，使系统能以数值的形式直观地反映滚珠 丝杠轴端预紧力的大小。3. 根据权利要求2所述的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其 特征在于，步骤(4)所述的校准所建立的滚珠丝杠预紧力测量系统，校准方法采用的是利用 力传感器校准，将力传感器和贴有应变片的弹性轴套串联，施加不同的压力，记录弹性轴套 在不同压力作用下的应变值;校准完成后的滚珠丝杠预紧力测量系统，最终能以数值的形 式反映滚珠丝杠轴端预紧力的大小。4. 根据权利要求1所述的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其 特征在于，步骤2)所述的建立进给系统动态性能的评价指标体系，包括： 进给系统的响应效率评价指标、定位精度评价指标、速度跟踪特性评价指标和延迟特 性评价指标。5. 根据权利要求4所述的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其 特征在于， 所述的进给系统的响应效率评价指标为：其中，tP为进给系统走完行程的理论时刻，tc为实际位移到达理想位移误差ε范围内的 时刻，^为测试结束时刻。6. 根据权利要求4所述的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其 特征在于，所述的定位精度评价指标，是选取进给系统走完行程的理论时刻作为特征点，将 在理论时刻的实际位移与理想位移的比作为定位精度的评价指标。7. 根据权利要求4所述的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其 特征在于，所述的速度跟踪特性评价指标，是选取进给系统速度稳定的理论时刻作为特征 点，将在理论时刻的实际速度与理想速度的比作为速度跟踪特性的评价指标。8. 根据权利要求4所述的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其 特征在于，所述的延迟特性评价指标，是将进给系统达到峰值的理论时刻与进给系统实际 达到峰值的时刻的比作为延迟特性的评价指标。9.根据权利要求1所述的一种数控机床进给系统滚珠丝杠预紧力的试验优化方法，其 特征在于，步骤3)所述的根据评价指标设计试验变量，利用激光干涉仪进行动态性能测试 试验，根据试验结果分析预紧力变化对进给系统动态性能的影响规律，是在设定的预紧力 作用下，根据四种进给系统动态性能评价指标对机床数控系统输入相应的测试程序，利用 激光干涉仪记录整个实验过程及试验结果。之后在设定范围内改变预紧力，反复进行动态 性能测试试验，得到一系列试验结果，借助MATLAB软件分析实验数据，最后得出预紧力变化 对进给系统动态性能的影响规律。
【文档编号】G06F17/50GK105893709SQ201610285987
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】李宝宇, 牛文铁, 丛郁楠
【申请人】天津大学